CNTの新時代。CNTの森を育てる新しい試み

カーボンナノチューブ（CNT）は、直径がナノメートルサイズの円筒状ハニカム状の炭素の同素体である。

CNTは、機械的強度、弾性、軽量、電気・熱伝導性など、数多くの特性を備えており、最も有望な材料である。

エレクトロニクス、医療、エネルギー貯蔵、センサーなど、多くの産業がCNTを大量に利用しています。このような需要の増加により、CNTの製造は常に高度化することが求められています。

このCNTの大量生産が、CNTの応用を妨げる大きな課題となっている。

課題への取り組み :

通常、科学者は、CNTを個別に成長させるよりも、CNTフォレストを成長させることを好む。 CNTフォレストは、垂直方向に配列されたCNTアレイで、自己組織化されています。

これは通常、高純度の材料を得るためにCNTの森から後で分離される基板上に、固定触媒の存在下で化学気相成長法というプロセスで実施されます。

このようにメリットの多いプロセスですが、唯一大きな課題として挙げられるのが「長さ」です。

これまで研究者たちは、酸化アルミニウム（Al2O3）担体上に鉄（Fe）などの触媒を用いて、最大2cmのCNT林を成長させることができた（CNTの長さは、その特性に関して重要な役割を果たすため、この点を考慮する必要がある）。

そのため、供給が制限され、コストが上昇することで、その産業的価値に影響を及ぼしている。

ゲームを全く変えてしまうような画期的な発見があったのです。

最近、日本の科学者のチームが、新しいアプローチによってCNTの森の長さを14cmまで記録しました。この研究成果は、「Carbon」誌に掲載されました。

早稲田大学の杉目久志助教授らの研究チームは、従来使用していた触媒（Fe-Al2Ox）が徐々に構造を変化させることでCNTが成長しなくなることを突き止めたのです。

基本的には、活性触媒の数に依存するCNTの密度が、自立した構造を維持するのに十分でない場合、林立は終了する。

そのため、使用する触媒は、構造的にも化学的にも安定した状態を保つ必要があります。

そこで彼らは、この不安定さを抑えるために技術を変えたのです。

彼らは、n型シリコン基板でコーティングした先の触媒に、ガドリニウム（Gd）層を追加することで実現した。

ガドリニウム層が触媒の劣化を防ぎ、CNTの森を5cmほど成長させることができた。

さらに、目的の長さを得るために、触媒をコールドガス化学気相成長（CVD）チャンバーと呼ばれる部屋に入れたままにしておいた。

触媒の前処理として、750℃まで温度を維持し、室温で小濃度のFeとAlの蒸気を供給した。

これにより、26時間まで触媒の構造を維持することができ、CNTの成長が促進された。

慎重に解析した結果、CNTの森の長さを14cmも記録することに成功した。

この目覚しい進歩により、CNTの応用範囲は大きく広がりました。

今後の研究において、ナノテクノロジーやナノサイエンスへのアプローチを変える可能性があります。

掲載された研究論文の全文は、以下のDOIをご参照ください。

参考文献:

杉目寿、佐藤寿浩、中川玲、林達弘、井上陽区、野田優.鉄およびアルミニウム蒸気源のその場補充による超長尺カーボンナノチューブ・フォレスト カーボン, 2020; https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.10.066

ナノテクノロジー分野の研究者であれば、「Mind the graph」で関連するトピックのインフォグラフィックスを作成することができます。

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